Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2534668:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)
Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступени ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях, а также и при натурных пусках РН с системами газификации. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива (КРТ) в баках ОЧ ступени РН, основанном на введении в экспериментальную установку теплоносителя (ТН) с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭУ, при этом проводят дополнительные измерения скорости потока ТН в различных точках ЭУ, влажности газа на выходе из ЭУ, и рассчитывают на основе проведенных измерений значения суммарной теплоты, поступившей в объем ЭУ в течение всего эксперимента. Изобретение обеспечивает повышение достоверности результатов экспериментальных исследований, снижение затраты на проведение экспериментов при обнаружении недостоверных измерений или неисправности оборудования путем прекращения эксперимента и повышение надежность измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.
Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована при проведении физического моделирования процессов газификации остатков жидкого топлива в баках отделяющихся частей (ОЧ) ступеней ракет-носителей (РН) в условиях малой гравитации с использованием экспериментальных модельных установок в земных условиях.
Известен газификатор топлива, защищенный патентом РФ на изобретение №2070655, МПК F02M 31/00, содержащий карбюратор, испаритель, тепловую трубу, снабженную дополнительным электрическим нагревателем и устройство для подачи воды на испаритель.
Газификатор предназначен для приготовления газифицированной топливно-воздушной смеси для питания двигателей внутреннего сгорания из жидкого топлива, что близко к пневмогидравлической системе топливного бака жидкостной ракетной двигательной установки. Газификация происходит за счет локального нагрева и испарения топлива, распыляемого в диффузоре карбюратора за счет тепла выхлопных газов, подводимых к испарителю от выхлопного коллектора двигателя тепловой трубой с встроенным электрическим нагревателем.
Однако данное устройство, реализующее способ моделирования остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) в баках ОЧ, имеет ограниченные функциональные возможности применительно к ракетно-космической технике.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ моделирования процесса газификации (термохимического обезвреживания), описанный на стр.163-174 в кн.1 «Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду» (Монография) под ред. В.И. Трушлякова, Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004, 220 с.
Способ включает моделирование поступления в газовую фазу окислителя (с заданными параметрами в виде струи из форсунки: формы и степени распыления, длины струи, перепада давления на форсунке), обеспечение условий взаимодействия в зоне контакта струи с поверхностью горючего, проведение измерений температуры, давления в различных точках экспериментальной установки.
Устройство для осуществления способа представляет собой экспериментальную установку (ЭУ), в виде модельного бака, который состоит из обечайки, сферического днища, и содержит поддон с двумя вваренными стаканами, температурные датчики, заправочно-сливную арматуру, датчики давления, дренажный трубопровод, расходомер, весоизмерительное устройство, утилизатор, газоанализатор, основанный на использовании катализатора.
Непосредственное использование этого способа и устройства для его осуществления, основанного на получении теплоносителя (ТН), для термодинамического процесса газификации жидкостей, моделирующих остатки КРТ, например, керосина, сопряжено со следующими недостатками:
- не предусмотрено определение значений суммарной теплоты, поступившей в объем ЭУ;
- не предусмотрено определение значений суммарной теплоты, затраченной на нагрев всех элементов ЭУ, участвующих в теплообмене;
- в случае выхода из строя какого-либо элемента системы измерения и регистрации данных (датчики температуры, давления, расхода, преобразователи и т.д.) не предусмотрено прекращение эксперимента, и получаемая информация оказывается недостоверной;
- в случае выхода из строя соединительной и запорно-регулирующей арматуры (трубопроводы, клапаны, дроссели и т.д.) не предусмотрено прекращение эксперимента, и получаемая информация оказывается недостоверной,
- не предусмотрено измерение влажности газифицированных продуктов, для определения скорости испарения жидкости;
- не предусмотрено измерение скоростей потока ТН в различных точках ЭУ.
Все это приводит к дополнительным затратам на проведение экспериментов из-за появления не вовремя обнаруженных неисправностей.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является:
- повышение достоверности результатов проводимых экспериментальных исследований за счет отбраковки недостоверных измерений;
- снижение затрат ресурсов на проведение экспериментов при обнаружении недостоверных измерений или неисправности оборудования путем прекращения эксперимента.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, основанном на введении в ЭУ теплоносителя с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого КРТ, проведении измерений температуры, давления в различных точках ЭУ, согласно заявляемому изобретению, проводят дополнительные измерения скорости потока ТН в различных точках ЭУ, влажности газа на выходе из ЭУ, и рассчитывают на основе проведенных измерений значения суммарной теплоты, поступившей в объем ЭУ в течение всего эксперимента, по формуле:
где сТН - удельная теплоемкость ТН (табличное значение),
- измеряемый расход ТН,
ТТН - измеряемая температура ТН,
τ - измеряемое время проведения эксперимента,
рассчитывают суммарное значение теплоты, затраченное на нагрев каждого элемента ЭУ, участвующего в теплообмене, в течение всего эксперимента, по формуле:
где Qгаз - количество теплоты, расходующееся на нагрев газа в емкости;
Qжидк - количество теплоты, расходующееся на нагрев жидкости в емкости;
Qпл - количество теплоты, расходующееся на нагрев пластины в емкости;
Qст - количество теплоты, расходующееся на нагрев стенок емкости,
и сравнивают рассчитанные значения 
с 
и, в случае выполнения условия:
где EQ включает в себя инструментальные и методические погрешности, результаты эксперимента признают неверными, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
Конвективная составляющая количества теплоты, затраченной на нагрев каждого элемента ЭУ, участвующего в теплообмене, а именно:
- газа (воздух),
- жидкости, моделирующей остатки КРТ (вода, керосин, ацетон, спиртовые смеси),
- алюминиевой пластины, на которой расположена жидкость,
- стенок емкости,
зависит от коэффициента теплоотдачи, который в различных точках ЭУ будет иметь различные значения в зависимости от значения скорости потока ТН.
Измерения скоростей потока ТН осуществляют в различных точках ЭУ, а именно вдоль поверхностей (пластина, стенки емкости), где будут значительные изменения коэффициентов теплоотдачи.
По показаниям датчиков температуры осуществляют сравнение температур теплоносителя ТТН и элементов ЭУ Ti и, в случае нарушения условия:
где N - количество установленных датчиков температуры внутри ЭУ,
прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
На установившемся режиме процесса газификации 
рассчитывают величину:
где РГ, ТГ - измеренные значения давления, и температуры газа в ЭУ и, в случае неудовлетворения условия 
, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
Рассчитывают на основе проведенных измерений относительной влажности газа в объеме ЭУ значение
где 
- парциальное давление при температуре газа в ЭУ ТГ,
Рнас - давление насыщенных паров при температуре газа в ЭУ ТГ,
φ - относительная влажность газа в ЭУ,
сравнивают полученное значение парциального давления газа в ЭУ с табличным значением 
где ЕР включает в себя инструментальные и методические погрешности, и, в случае удовлетворения данному условию, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
Технический результат в части устройства достигается также за счет того, что устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого КРТ в баках ОЧ ступени РН, включающее в свой состав ЭУ, в виде модельного бака, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, согласно заявляемому изобретению на выходе из ЭУ дополнительно установлен гигрометр, а внутри ЭУ датчики скоростей потока ТН.
1. Способ моделирования процесса газификации остатков жидких компонентов ракетного топлива в баках отделяющихся частей ступени ракет-носителей, основанный на введении в экспериментальную установку (ЭУ) теплоносителя (ТН) с заданными параметрами, обеспечении заданных условий взаимодействия в зоне контакта ТН с поверхностью жидкого газифицируемого компонента ракетного топлива, проведении измерений температуры, давления в различных точках экспериментальной установки, отличающийся тем, что проводят дополнительные измерения скорости потока ТН в различных точках ЭУ, влажности газа на выходе из ЭУ, и рассчитывают на основе проведенных измерений значения суммарной теплоты, поступившей в объем ЭУ в течение всего эксперимента, по формуле:
где сТН - удельная теплоемкость ТН (табличное значение),
- измеряемый расход ТН,
ТТН - измеряемая температура ТН,
τ - измеряемое время проведения эксперимента,
рассчитывают суммарное значение теплоты, затраченное на нагрев каждого элемента ЭУ, участвующего в теплообмене, в течение всего эксперимента, по формуле:
где Qгаз - количество теплоты, расходующееся на нагрев газа в емкости;
Qжидк - количество теплоты, расходующееся на нагрев жидкости в емкости;
Qпл - количество теплоты, расходующееся на нагрев пластины в емкости;
Qст - количество теплоты, расходующееся на нагрев стенок емкости,
и сравнивают рассчитанные значения 
с 
и, в случае выполнения условия:
где EQ включает в себя инструментальные и методические погрешности, результаты эксперимента признают неверными, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют сравнение температур ТН ТТН и элементов ЭУ Ti и, в случае нарушения условия:
TТН≥Ti, i=1…N,
где N - количество установленных датчиков температуры внутри ЭУ,
прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на установившемся режиме процесса газификации жидкости определяют давление РГ, и температуру ТГ газа в ЭУ и, в случае неудовлетворения условию 
, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают на основе проведенных измерений относительной влажности газа в объеме ЭУ значение
где 
- парциальное давление при температуре газа в ЭУ ТГ,
Рнас - давление насыщенных паров при температуре газа в ЭУ ТГ,
φ - относительная влажность газа в ЭУ,
сравнивают полученное значение парциального давления газа в ЭУ с табличным значением 
где Ер включает в себя инструментальные и методические погрешности, и, в случае удовлетворения данному условию, прекращают эксперимент и выявляют неисправности в системе измерений и регистрации данных.
5. Устройство для моделирования процесса газификации остатков жидкого компонента ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя, включающее в свой состав модельный бак, датчики температуры, давления, входной и выходной патрубки, отличающееся тем, что на выходе из ЭУ дополнительно установлен гигрометр, а внутри ЭУ датчики скоростей потока ТН.
